變電站直流系統(tǒng)存在的問題及解決的辦法

1、變電站直流系統(tǒng)存在的問題及解決的辦法             摘要中小型終端變電站使用的蓄電池直流屏，維護(hù)工作量大，蓄電池壽命短，如采用超級電容替代蓄電池將具有革命性的進(jìn)步。 關(guān)鍵詞直流屏超級電容 一、當(dāng)前變電站直流屏存在的問題在我國110KV、35KV、10KV終端變電站，以及廠用6KV配電系統(tǒng)，廣泛采用了蓄電池直流屏和硅整流電容儲能直流屏作為操作、控制以及保護(hù)的電源。幾十年來，較多的產(chǎn)品在運(yùn)行中存在以下問題：1、鎘鎳蓄電池直流屏：直流母線輸出220V時，一般由180只蓄電

2、池組成。蓄電池在加工生產(chǎn)中不可能做到每只電池的充放電特性完全一致，雖然生產(chǎn)廠家在出廠時進(jìn)行了匹配組合，到了用戶手中就沒有挑選的余地了。在使用中，用同一個充電電源，又向同一負(fù)荷放電，久而久之，個別電池由于特性差別越來越大，而影響整個裝置的性能。鎘鎳蓄電池在運(yùn)行中，長期處于浮充狀態(tài)，充電機(jī)性能的好壞，直接影響電池的壽命。一般廠家承諾電池壽命大于10年，但在實(shí)際運(yùn)用中，往往只有35年。這是因?yàn)?，如果浮充電流過大，會使電解液中的水電解成氫和氧，這兩種氣體混合是危險的爆炸氣體，如果通風(fēng)不良，有資料介紹，某無人值班變電站，曾發(fā)生直流屏爆炸的事故（電世界2000年12期）。過充電還會使電池冒液。在電池外表及

3、連接片上產(chǎn)生墨綠色氧化物，腐蝕構(gòu)件，降低絕緣，使自放電增加。 過充還會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極板上生成氧化鎘，減少極板有效面積，容量減小，這就是俗稱的"記憶"效應(yīng)。為了保持電池的容量，每年需對蓄電池進(jìn)行12次的"活化"試驗(yàn)，試驗(yàn)必須按生產(chǎn)廠家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行充放電，才能保證電池的有效率。作為使用維護(hù)者來說，是一個令人頭痛的事情。由于鎘鎳電池有較硬的放電特性曲線，放電量達(dá)到80%時，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會造成電池過放電，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)而報廢。由于直流屏是變電站設(shè)備中的重中之重，直接影響到變電站的安全運(yùn)行。在"安全工作重于泰山"的

4、環(huán)境下，很多單位都將直流屏列入日常必檢項(xiàng)目進(jìn)行考核。每日對180只（220V）電池進(jìn)行補(bǔ)液，測量每只端電壓，作記錄，確實(shí)是一項(xiàng)既枯燥、又煩鎖的事。如電池全部安裝在柜內(nèi)，還具有一定的危險。 2、密封鉛酸蓄電池直流屏：由于鎘鎳蓄電池維護(hù)量大，一種免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，簡稱閥控蓄電池或VRLA電池，開始得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槭侨芊怆姵?，無須加水，這給維護(hù)帶來很多好處的同時，也給觀測和維護(hù)帶來困難。"免維護(hù)"這一名詞又給使用者帶來認(rèn)識上的誤區(qū)，導(dǎo)致使用者放松對蓄電池的日常維護(hù)管理 。由于閥控蓄電池在我國問世只有十年左右，至今還沒有成熟的制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。去年在深圳召開的EVC會議，匯集

5、國內(nèi)蓄電池有關(guān)使用、制造的專家，總結(jié)了國內(nèi)閥控蓄電池的制造、運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)成如下一共識：2.1、閥控蓄電池的壽命：廠家說明書將蓄電池的壽命標(biāo)注為10、15、20年，是過分夸大了。無論進(jìn)口、國產(chǎn)電池，實(shí)際使用后都證實(shí)了這一點(diǎn)。因而在說明書上標(biāo)稱5年比較適當(dāng)；對于膠體蓄電池，如德國陽光、銀彬方可用十年以上。另外廠家說明書上標(biāo)注的壽命是有前提的，要在規(guī)定的運(yùn)行溫度，標(biāo)準(zhǔn)的充放電方式包括負(fù)載大小 下運(yùn)行，實(shí)際上這些條件，只有在實(shí)驗(yàn)室才能達(dá)到。2.2、影響閾控蓄電池壽命主要有如下幾個因素：A閥控蓄電池壽命對溫度十分敏感生產(chǎn)廠家要求電池運(yùn)行環(huán)境溫為1525，當(dāng)環(huán)境溫度超過25后，每升高10電池壽命就要

6、縮短一半，例如：對5年期壽命的電池，當(dāng)環(huán)境溫度為35時，實(shí)際壽命只有2.5年，如果再升高10達(dá)到45時，其壽命只有約1.25年了。對于處在廣大的華中、華南地區(qū)來說，全年平均氣溫超過25的時間將長達(dá)3個多月，加上安裝閾控蓄電池的配電室，為防小動物入室，門窗都比較封閉，室內(nèi)溫度還要升高，對蓄電池的運(yùn)行極為不利。B過度放電：蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。這種情況主要發(fā)生在交流停電或充電模塊損壞后，蓄電池組為負(fù)載供電期間。當(dāng)蓄電池被過度放電到輸出電壓為零時，會導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸付到電池的陰極表面，形成電池陰極的"硫酸鹽化"。由于硫酸鉛本身是一種絕緣

7、體，它的形成必將對電池的充、放電性能產(chǎn)生不好的影響。因此，在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充、放電性能就越差，其使用壽命就越短。 C-板柵的腐蝕與增長： 板柵腐蝕是影響蓄電池使用壽命的重要原因。在開路狀態(tài)下，鉛合金與活性二氧化鉛直接接觸，而且共同浸在硫酸溶液中，它們各自與溶液建立不同的平衡電極電位。正極柵板不斷溶解，特別是在過充電狀態(tài)下，正極由于析氧反應(yīng)，水被消耗，H+增加，從而導(dǎo)致正極附近酸度增高，反柵腐蝕加速，如果電池使用不當(dāng)，長期處于過充電狀態(tài)，那么電池的柵板就會變薄，容量降低，會縮短使用壽命。D-浮充電狀態(tài)對蓄電池使用壽命的影響： 目前，蓄電池大多數(shù)都處于長期的浮充電

8、狀態(tài)下，只充電，不放電，這種工作狀態(tài)極不合理。大量運(yùn)行統(tǒng)計資料表明，這樣會造成蓄電池的陽極極板鈍化，使蓄電池內(nèi)阻急劇增大，使蓄電池的實(shí)際容量(Ah)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致蓄電池所能提供的實(shí)際后備供電時間大大縮短，減少其使用壽命。 E-失水： 蓄電池失水也是影響其使用壽命的因素之一，蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增加，電池柵板的腐蝕，使蓄電池的活性物質(zhì)減少，從而使蓄電池的容量降低而導(dǎo)致其使用壽命減少。當(dāng)失水5.5時，容量降到75；失水達(dá)到25時，容量基本消失。3、電解電容儲能直流屏二十世紀(jì)60-70年代，由于電解電容儲能直流系統(tǒng)，投資小，維護(hù)量小，在110KV以下小型變電站得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過

9、多年的運(yùn)行暴露出一個致命的缺陷：由于儲能電容的容量只有數(shù)千微法，事故分閘的可靠性差。在全國范圍內(nèi)造成多起事故。目前，這類直流系統(tǒng)面臨更新改造階段。二、解決辦法針對以上直流屏存在的問題，能不能有一個更好的方案來解決？現(xiàn)在，由北京金正平科技有限公司開發(fā)出來的"超級電容器"，給人們解決直流屏存在的問題帶來了曙光。它是一種專門用于儲能的特種電容，實(shí)現(xiàn)了電容量由微法向法拉級的飛躍，是一種理想的大功率物理電源。它不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長達(dá)10年以上，用它來代替老式電容儲能硅整流直流屏，和蓄電池將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。該產(chǎn)品在世界上僅有美、日、俄少數(shù)國家才能生產(chǎn)。我國的技術(shù)水平接近俄羅斯

10、，價格只是俄產(chǎn)的三分之一，并獲得國家專利和1999年全國技術(shù)發(fā)明博覽會金獎，填補(bǔ)了可進(jìn)行大電流快速充放電的空白。推廣該產(chǎn)品將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，引發(fā)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的一次技術(shù)進(jìn)步。         三、 超級電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗(yàn)武漢海山電子儀器公司為了將超級電容這一成果，在變、配電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用，作進(jìn)一步研究，特作了如下一些實(shí)驗(yàn)：超級電容標(biāo)稱容量0.82F，耐壓280V，出廠編號02020271、用超級電容對斷路器合閘的試驗(yàn)：時間：2002年4月25日，10:3011:00地點(diǎn)：武漢市白沙洲水廠變電站 615

11、柜參加人：彭德明、蔣義、汪維敏高壓斷路器型號KYN-10-10型額定電壓：10KV，額定電流：1000A操作機(jī)構(gòu)型號CD-10。合閘電壓直流220V，電流100A。試驗(yàn)方法：1.1、斷開615柜合閘電源；1.2、將已充電的超級電容兩出線端并接在合閘接觸器觸頭上；1.3模擬正常方式合閘，按下合閘接鈕，記錄合閘次數(shù)和電容端電壓，見下表：  合閘次數(shù)0123456789101112131415 電容端電壓v245240235230225220215210203197190185175170163155共合閘15次，每次都合閘成功，考慮到從第9次開始電容端電壓已降至額定電壓-10%

12、以下，可靠性變差，合閘速度變慢，剔除不算，因而可作如下結(jié)論：電容充電至+10%額定電壓時，可對CD-型電磁機(jī)構(gòu)可靠合閘大于8次，每次合閘使電容端電壓下降5V。2、超級電容充電時間測試：超級電容的初充電，如不加限流電阻，相當(dāng)于發(fā)生短路。生產(chǎn)廠家推薦使用1000W碘鎢燈作限流電阻，其冷態(tài)電阻較熱態(tài)電阻小近10倍，符合電容電壓上升后宜減小限流電阻的要求。以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是串入1000W碘鎢燈實(shí)測的數(shù)據(jù)。第一次：用變電站直流電源充電 時間（秒）03045556080120180 充電電流 (A)4.532.521.810.20.05第二次：采用單相交流170V經(jīng)全波整流后作電源充電。

13、 時間（秒）0306090120150180210240270300 充電電流（A）3.32.21.71.250.710.490.3450.220.140.090.07 電容端電壓V） 85.3158172.9197213.8224230.9235237.5238.9小節(jié)：不同的充電電源對充電速度有影響，但不管什么電源電容由零伏充至額定電壓時僅需3分鐘。 以后，長期浮充電流在010mA變化。 3、 超級電容自放電測試將超級電容充至242V后，與負(fù)載完全脫離，隔日同一時間測量電容端電壓記錄第一次：未經(jīng)浮充電 時間6月17日6月18日6月19日6月20日6月21日 電容端電壓V242202180163148 V/h